間諧波對(duì)自激式電子鎮(zhèn)流器燈光功率影響的研究

間諧波對(duì)自激式電子鎮(zhèn)流器燈光功率影響的研究

1間諧波分量電壓下的閃變特性根據(jù)gb和1612-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的定義，閃變是指由于燈光照度的不穩(wěn)定性，引起的視覺(jué)感覺(jué)。這是由電壓的波動(dòng)引起的。閃變會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)不適，影響工作效率。目前對(duì)閃變進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)主要是通過(guò)IEC閃變儀實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)期以來(lái),電壓波動(dòng)的原因大都?xì)w結(jié)為大功率負(fù)荷的頻繁投切。但近年的研究表明,越來(lái)越廣泛使用的變頻調(diào)速裝置已成為供電系統(tǒng)間諧波的主要來(lái)源,而含有間諧波分量的供電電壓呈現(xiàn)出波動(dòng)的特征。因此,由電壓間諧波分量導(dǎo)致的電壓波動(dòng)是否以及如何對(duì)照明設(shè)備的閃變產(chǎn)生影響,就成為值得研究的課題。研究表明,供電電壓含間諧波分量時(shí)導(dǎo)致的熒光燈閃變遠(yuǎn)強(qiáng)于白熾燈,即便是高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈,在含有間諧波分量的供電電壓作用下也會(huì)出現(xiàn)閃變現(xiàn)象。而現(xiàn)行IEC閃變儀是基于白熾燈的發(fā)光特性,針對(duì)調(diào)幅波動(dòng)電壓設(shè)計(jì)的,不適用于對(duì)熒光燈閃變的評(píng)價(jià)。當(dāng)供電電壓中含有間諧波分量時(shí),電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致熒光燈輸入功率的波動(dòng),從而導(dǎo)致其輸出光通量的波動(dòng)。由于閃變是人眼對(duì)光通量波動(dòng)的視覺(jué)感受,因此研究間諧波導(dǎo)致的閃變效應(yīng)實(shí)際上就是要研究其光通量響應(yīng)特性。而光通量波動(dòng)深度及頻率與熒光燈燈管的輸入功率有線性相關(guān)性,于是該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為研究熒光燈在含間諧波分量電壓下的功率響應(yīng)。文獻(xiàn)研究了使用感應(yīng)型鎮(zhèn)流器的熒光燈由含間諧波分量電壓供電時(shí)的功率響應(yīng),得到了間諧波特征與熒光燈功率波動(dòng)之間的關(guān)系。電子鎮(zhèn)流器熒光燈工作電路種類繁多,本文針對(duì)目前大量使用的典型自激式電子鎮(zhèn)流器熒光燈電路,基于調(diào)制理論,研究其在含間諧波分量的供電電壓下的功率響應(yīng),得到間諧波分量的幅值和頻率對(duì)功率波動(dòng)特性的影響,為進(jìn)一步研究熒光燈光通量波動(dòng)規(guī)律,制定間諧波評(píng)價(jià)方法、限制標(biāo)準(zhǔn)和抑制措施提供理論依據(jù)。2輸出電子勇敢的燈絲電路的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型2.1自激式電子鎮(zhèn)流器盡管電子鎮(zhèn)流器發(fā)展迅速,已有采用集成電路技術(shù)(IC)控制的高性能電子鎮(zhèn)流器面世,但成本相對(duì)較低、按照IEC和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15143/15144生產(chǎn)的半橋逆變自激式振蕩電子鎮(zhèn)流器在普通直管熒光燈(TFL)以及緊湊型熒光燈(CFL)中仍然得到廣泛應(yīng)用。自激式電子鎮(zhèn)流器原理如圖1所示。圖中L1,C1,C2組成π型EMI濾波單元,主要用來(lái)濾除半橋逆變電路所產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)。整流模塊(VD1~VD4)提供的直流電壓VDC,經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管VT1,VT2以接近50%的占空比輪流導(dǎo)通,為L(zhǎng)2、C6、R組成的諧振電路提供接近方波的輸入電壓。C7為隔直電容,在諧振回路的計(jì)算中可以忽略不計(jì)。在預(yù)熱階段,熒光燈燈管兩端的等效電阻很大,只有很小的燈絲電阻和L2、C6發(fā)生串聯(lián)諧振,諧振電路可以在燈管兩端形成很高的點(diǎn)火電壓。熒光燈點(diǎn)燃后,進(jìn)入正常運(yùn)行階段,燈管內(nèi)電弧等效電阻R在幾百歐姆范圍,此時(shí)燈絲電阻可忽略不計(jì)。由于本文目的是對(duì)供電電壓中含間諧波分量的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析,以研究間諧波電壓對(duì)熒光燈輸入功率的影響。為簡(jiǎn)化分析推導(dǎo)過(guò)程,對(duì)電路在不影響分析結(jié)果的前提下,進(jìn)行簡(jiǎn)化。2.2放電電極r6控制電路圖1電路中EMI濾波器主要用來(lái)濾除半橋逆變電路所產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào),在模型中不予考慮;以二極管VD1~VD4和大電容C描述原理圖中的整流濾波環(huán)節(jié);由于R4、R6阻值相對(duì)很小,其主要作用是利于三極管的順利關(guān)斷,避免進(jìn)入過(guò)飽和,且這里的三極管只處于截止與導(dǎo)通狀態(tài),做功率開(kāi)關(guān)用,故采用理想開(kāi)關(guān)S1、S2等效三極管VT1和VT2的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài);原理圖中隔直電容C7和啟動(dòng)電容C6分別以電容Cdc和Cp等效,隔直電容遠(yuǎn)大于啟動(dòng)電容,不參與電路的諧振啟動(dòng)過(guò)程;由于電感L2的值遠(yuǎn)大于磁環(huán)變壓器一次繞組N3的電感值,諧振電感主要由電感L2組成,以Lr表示;熒光燈穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),燈管用電阻Rlamp表示。于是,得到簡(jiǎn)化等效電路如圖2所示。3在電壓損失的影響下，1928年輸出的功率變化3.1非線性電路設(shè)計(jì)分析電壓間諧波分量對(duì)熒光燈功率波動(dòng)的影響,實(shí)際上就是分析輸入含間諧波分量的電壓后,得到的熒光燈燈管Rlamp上的輸入功率響應(yīng)。自激式電子鎮(zhèn)流器熒光燈電路是一個(gè)非線性電路,本文采用調(diào)制理論,推導(dǎo)Rlamp上的功率與電路輸入電壓之間的關(guān)系。分析推導(dǎo)過(guò)程如圖3所示。其中:vdc為整流濾波環(huán)節(jié)直流側(cè)電壓,vab為逆變電路交流側(cè)電壓,vr為熒光燈諧振回路輸入端電壓,vRlamp為熒光燈管端電壓,pRlamp為熒光燈管的瞬時(shí)輸入功率。為便于對(duì)圖2所示電路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,假定:(1)所有無(wú)源元件皆是理想元件。(2)半橋逆變中S1、S2是理想開(kāi)關(guān),驅(qū)動(dòng)S1、S2信號(hào)的占空比D=50%。(3)工作于高頻穩(wěn)態(tài)時(shí),熒光燈燈管阻抗可以等效為一定值電阻。3.2特性分析與開(kāi)關(guān)函數(shù)的計(jì)算基于逆變部分在負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可以等效為電阻的前提,對(duì)分析整流濾波環(huán)節(jié)直流側(cè)電壓來(lái)說(shuō),圖2所示電路可以等效為直流側(cè)電容濾波帶電阻負(fù)載的整流電路,如圖4所示。該等效電阻值Req由中間直流回路的直流電壓和逆變部分的運(yùn)行功率決定,并可以由下面二式求得:式中,Vdc為直流環(huán)節(jié)電壓有效值;P為熒光燈管功率;V為輸入電壓vac(t)的有效值;f為工頻頻率。圖4所示整流濾波電路的直流回路電流電壓波形如圖5所示,其中δ和θ分別對(duì)應(yīng)整流電路的導(dǎo)通起始時(shí)刻和導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。δ和θ可根據(jù)整流電路在理想正弦電壓下的導(dǎo)通和截止邊界條件,由式(3)和式(4)求取。式中,ω=2πf。當(dāng)供電電壓含有間諧波時(shí),由于間諧波幅值遠(yuǎn)小于基波電壓幅值,可認(rèn)為此時(shí)的整流電路的導(dǎo)通、截止角與正弦電壓時(shí)相同。該電路的充放電過(guò)程具有離散采樣和調(diào)制的開(kāi)關(guān)特性,采用基于調(diào)制理論的開(kāi)關(guān)函數(shù)法對(duì)整流濾波直流側(cè)電壓vdc(t)進(jìn)行求解。所謂開(kāi)關(guān)函數(shù)法是指用簡(jiǎn)單的三角變換來(lái)代替區(qū)段積分,在變流設(shè)備穩(wěn)態(tài)工作條件下進(jìn)行諧波分析的方法。開(kāi)關(guān)函數(shù)可分為單向開(kāi)關(guān)函數(shù)和雙向開(kāi)關(guān)函數(shù)。這里整流器采用雙向開(kāi)關(guān)函數(shù),由導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)函數(shù)S1(t)和截止?fàn)顟B(tài)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)函數(shù)S2(t)組成。其中于是,整流濾波直流側(cè)電壓vdc可通過(guò)調(diào)制輸入電壓vac得到,即式中,α=θ+δ。將開(kāi)關(guān)函數(shù)S1(t)和S2(t)分別用傅里葉級(jí)數(shù)表示,則得到vdc(t)的表達(dá)式為其中3.3半橋逆變開(kāi)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)同樣運(yùn)用調(diào)制理論,采用開(kāi)關(guān)函數(shù)法,逆變電路交流側(cè)電壓vab可由調(diào)制直流側(cè)電壓vdc得到,即vab(t)=vdc(t)Su(t),Su(t)是半橋逆變電路的電壓開(kāi)關(guān)函數(shù)。由于該環(huán)節(jié)是電壓型半橋逆變電路,驅(qū)動(dòng)S1、S2信號(hào)的占空比D=50%,逆變電路的電壓開(kāi)關(guān)函數(shù)Su(t)是單向開(kāi)關(guān)函數(shù),其傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為式中,ωs=2πfs,fs為半橋逆變開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率。于是逆變電路交流側(cè)兩端電壓vab為3.4逆變電路交流側(cè)式(10)由直流分量和一系列奇數(shù)次諧波組成。逆變電路交流側(cè)是輸入型低通濾波網(wǎng)絡(luò)。由于隔直電容Cdc的直流濾除作用,使得加載在串聯(lián)諧振回路上的電壓vr(t)可表示為3.5熒光端電壓的計(jì)算對(duì)vr(t)以后部分的熒光燈諧振電路進(jìn)行頻域分析,由電路KCL和KVL得熒光燈端電壓如下:式中,ωh=hωs,h=1,3,5,…。由式(12),可以得到熒光燈管兩端不同頻率的諧波電壓。3.6瞬時(shí)功率的基本原理熒光燈管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)功率表達(dá)式為以PhilipsT8直管型36W熒光燈為例,其穩(wěn)態(tài)參數(shù)為:燈管額定電壓Vr.Rlamp=95V,額定電流Ir.Rlamp=0.31A,穩(wěn)態(tài)電阻Rlamp=306?。自激式電子鎮(zhèn)流器在輸入電壓為正弦220V工作時(shí),半橋逆變開(kāi)關(guān)頻率fs=20kHz,諧振電感Lr和啟動(dòng)電容Cp參數(shù)值分別為L(zhǎng)r=2.9mH,Cp=24.3nF。當(dāng)電源電壓如式(14),其中間諧波分量相對(duì)幅值m和頻率fIH分別為2%和55Hz時(shí),熒光燈瞬時(shí)功率波形如圖6所示。從圖6中可以看出,熒光燈瞬時(shí)功率波形的包絡(luò)線明顯存在著5Hz的波動(dòng),用相對(duì)波動(dòng)深度來(lái)描述。瞬時(shí)功率相對(duì)波動(dòng)深度的定義為式中,pmax和pmin分別為瞬時(shí)功率波形上包絡(luò)線的波峰值和波谷值;PM為波動(dòng)功率包絡(luò)線的平均值。上例中熒光燈的瞬時(shí)功率相對(duì)波動(dòng)深度為至此,經(jīng)推導(dǎo)得到了在間諧波幅值和頻率給定時(shí)基于圖2所示電路的熒光燈輸入功率響應(yīng)。由于熒光燈電路的供電電壓波動(dòng)和熒光燈光閃變(即熒光燈光通量波動(dòng))的規(guī)律不完全一致。而熒光燈的功率波動(dòng)和光通量波動(dòng)之間有著更緊密的聯(lián)系。這里通過(guò)研究熒光燈在間諧波電壓作用下的功率波動(dòng),來(lái)研究電壓波動(dòng)導(dǎo)致的熒光燈光通量波動(dòng)。4間諧波對(duì)功率波動(dòng)的影響供電電壓中含有間諧波分量時(shí),隨著間諧波的幅值和頻率的變化,熒光燈的功率響應(yīng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。應(yīng)用上面的方法求取在不同間諧波頻率和幅值下熒光燈的功率響應(yīng),得到不同間諧波頻率時(shí)的熒光燈功率波動(dòng)數(shù)據(jù),可以繪制當(dāng)間諧波幅值一定時(shí)熒光燈瞬時(shí)功率波形包絡(luò)線相對(duì)波動(dòng)深度與間諧波電壓頻率之間的關(guān)系曲線如圖7所示。圖中實(shí)線所示為給定間諧波幅值m=2%,計(jì)算出的不同頻率時(shí)所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)功率相對(duì)波動(dòng)深度。通過(guò)上述計(jì)算發(fā)現(xiàn),功率波動(dòng)頻率與間諧波導(dǎo)致的電壓波動(dòng)頻率是一致的,間諧波導(dǎo)致的電壓波動(dòng)頻率Δf可由式(17)確定。式中,fH是最靠近間諧波頻率的諧波頻率。可見(jiàn),高頻率的間諧波也會(huì)導(dǎo)致低頻率的功率波動(dòng)。由于功率波動(dòng)頻率與熒光燈光通量波動(dòng)頻率相同,而光閃變只有在5~35Hz的光通量變動(dòng)時(shí)才能被人眼察覺(jué),因此圖7只給出功率在5~35Hz內(nèi)波動(dòng)時(shí)的值。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得到如下結(jié)論:(1)當(dāng)間諧波頻率為fIH時(shí),導(dǎo)致熒光燈瞬時(shí)功率波形包絡(luò)線的波動(dòng)頻率為Δf=|fIH-fH|。(2)熒光燈瞬時(shí)功率波動(dòng)對(duì)奇數(shù)次諧波附近的間諧波非常敏感,而當(dāng)間諧波臨近偶數(shù)次諧波時(shí),熒光燈瞬時(shí)功率波動(dòng)則不明顯。(3)在相同的間諧波電壓幅值下,接近三次諧波頻率附近的間諧波導(dǎo)致的熒光燈瞬時(shí)功率波形包絡(luò)線的波動(dòng)深度達(dá)到最大,此后隨著間諧波頻率的升高,所導(dǎo)致的熒光燈瞬時(shí)功率波形包絡(luò)線的波動(dòng)深度總體呈下降趨勢(shì)。(4)除了較低頻率的間諧波可能引起熒光燈瞬時(shí)功率在5~35Hz敏感頻率段內(nèi)發(fā)生明顯波動(dòng),造成閃變效應(yīng)之外,較高頻率間諧波同樣可能引起熒光燈瞬時(shí)功率在該頻率段內(nèi)的明顯波動(dòng)。即較高頻率的間諧波同樣可能引起熒光燈閃變效應(yīng)。5模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.1matlab/sim全模型的仿真為驗(yàn)證第4節(jié)中推導(dǎo)過(guò)程和簡(jiǎn)化假設(shè)的正確性,在Matlab/Simulink環(huán)境下,對(duì)圖2進(jìn)行仿真研究,并仍然使用PhilipsT8直管型36W熒光燈參數(shù)。5.1.1電壓和輸入功率在輸入電壓為220V正弦電壓時(shí),仿真輸出的熒光燈端電壓和輸入功率如圖8所示。可見(jiàn),當(dāng)供電電壓為正弦波形時(shí),熒光燈端電壓及輸入功率波形的幅值都保持恒定,在5~35Hz頻率范圍無(wú)功率波動(dòng),即不會(huì)有閃變現(xiàn)象出現(xiàn)。5.1.2熒光信號(hào)包絡(luò)線仿真模型當(dāng)輸入電壓為式(14)所示含間諧波分量電壓時(shí),仿真輸出的熒光燈端電壓和輸入功率如圖9所示。從圖9中可看出,燈管電壓和瞬時(shí)功率波形的包絡(luò)線均存在著5Hz的波動(dòng)。計(jì)算得熒光燈管輸入功率的包絡(luò)線波動(dòng)深度為與式(16)推導(dǎo)所得4.04%的結(jié)論差異很小。保持間諧波幅值m=2%不變,改變間諧波頻率,運(yùn)行仿真模型即可獲得電壓含不同間諧波頻率分量時(shí),熒光燈瞬時(shí)功率波動(dòng)深度數(shù)據(jù),如圖7中虛線所示。比較仿真與計(jì)算結(jié)果,可以看出兩者有較好的吻合,說(shuō)明第3節(jié)的推導(dǎo)和簡(jiǎn)化假設(shè)是可行的。5.2實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證是否含有間諧波分量的電壓能導(dǎo)致熒光燈管輸入電壓的波動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致熒光燈輸出光通量的波動(dòng)。5.2.1含間諧波電壓的輸出實(shí)驗(yàn)裝置由帶有普通多媒體聲卡并安裝Matlab軟件的計(jì)算機(jī);定壓功率放大器;調(diào)壓變壓器;示波器;36W自激式電子鎮(zhèn)流器和熒光燈構(gòu)成。由于含有間諧波分量的電壓不易直接獲得,實(shí)驗(yàn)中,輸入的含間諧波電壓信號(hào)通過(guò)Matlab編程由計(jì)算機(jī)聲卡輸出虛擬電壓信號(hào),經(jīng)定壓功率放大器和調(diào)壓變壓器將該電壓信號(hào)供給36W自激式電子鎮(zhèn)流器以驅(qū)動(dòng)PhilipsT8型36W熒光燈工作。為反映熒光燈穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的情況,數(shù)據(jù)全部是在該電子鎮(zhèn)流器熒光燈啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行5min后開(kāi)始記錄。5.2.2熒光管端電壓波形圖10a和圖10b分別為輸入電壓為220V正弦和220V正弦上疊加幅值m=2%、頻率fIH=58Hz的間諧波分量時(shí),由示波器觀察到的熒光燈管端電壓波形。從圖10b中可見(jiàn),當(dāng)供電電壓中含有m=2%、fIH=58Hz間諧波分量時(shí),燈管兩端電壓波形出現(xiàn)了8Hz波動(dòng);而圖10a中輸入純正弦220V電壓時(shí)燈管兩端電壓波形則表現(xiàn)得非常平穩(wěn),未見(jiàn)明顯波動(dòng)。5.2.3光通量波動(dòng)的數(shù)據(jù)處理在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,人眼直接觀察燈管周圍,明顯感覺(jué)到有閃變視感發(fā)生。由視感度曲線可知,人眼對(duì)光波動(dòng)的敏感度以8.8Hz的光通量波動(dòng)頻率為中心,逐漸減弱。利用光譜儀(型號(hào)為遠(yuǎn)方STC4000)測(cè)量熒光燈附近的光通量變化,將兩種情況下實(shí)時(shí)記錄的光通量數(shù)據(jù)以曲線的形式表示如圖11所示。為避免自然光和其他光源干擾,實(shí)驗(yàn)在黑暗環(huán)境下進(jìn)行,同時(shí)光譜儀與熒光燈的相對(duì)距離保持不變。同樣是在該電子鎮(zhèn)流器熒光燈啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行5min后開(kāi)始記錄數(shù)據(jù),時(shí)間為3min。由圖11可見(jiàn),與輸入正弦220V電壓時(shí)相比,電壓中含有間諧波電壓分量時(shí),熒光燈光通量在所觀察的時(shí)間段內(nèi)數(shù)值上表現(xiàn)出較大的波動(dòng),光譜儀無(wú)法以足夠高的采樣率記錄下光通量的波動(dòng)頻率,只能得到其波動(dòng)幅度。但從前面的分析可以看出,電壓波動(dòng)導(dǎo)致同頻率燈管輸入功率波動(dòng),從而導(dǎo)致熒光燈同頻率輸出光通量波動(dòng),因此實(shí)驗(yàn)觀察到的8Hz電壓波動(dòng)勢(shì)必造成8Hz光通量波動(dòng),這個(gè)